軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無軸承高速電機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、主繞組和懸浮繞組，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，在定子軛部嵌有永磁體，主繞組繞在定子齒極上，其通入的電流產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)，懸浮繞組繞在位于定子鐵芯端部的懸浮繞組鐵心上，其通入的電流產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，懸浮線圈的數(shù)目與定子齒極數(shù)相等；懸浮繞組分為軸線相互垂直的兩組，通過控制兩套懸浮繞組產(chǎn)生不同大小和方向的徑向懸浮力，兩者的合成則產(chǎn)生沿任意方向的可控徑向懸浮力，利用三相繞組的輪流導(dǎo)通和轉(zhuǎn)子位移的負(fù)反饋控制，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子懸浮所需的連續(xù)徑向懸浮力。本發(fā)明具有高速、大功率、高效率、高功率密度、運(yùn)行穩(wěn)定性高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無軸承高速電機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]高速和超高速電機(jī)在高速機(jī)床、渦輪分子泵、高速飛輪等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，用機(jī)械軸承支撐時(shí)，由轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行帶來的摩擦阻力增加，使軸承磨損加劇，造成電機(jī)氣隙不均，繞組發(fā)熱，不僅降低電機(jī)工作效率，縮短電機(jī)和軸承的使用壽命，也增加了對(duì)電機(jī)和軸承維護(hù)的負(fù)擔(dān)。
[0003]磁軸承占有獨(dú)立的軸向空間，使得磁軸承電機(jī)的軸向利用率較低，而磁軸承結(jié)構(gòu)和電機(jī)定子結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，如果把磁軸承中的懸浮繞組疊繞在電機(jī)定子繞組上，使兩種磁場(chǎng)合成一體，且能同時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的懸浮和旋轉(zhuǎn)是最為理想的，無軸承電機(jī)正是基于這一設(shè)想而提出的。電機(jī)中兩套繞組的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生了作用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的徑向力，通過控制電機(jī)中的徑向力可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。與傳統(tǒng)磁軸承電機(jī)相比，該電機(jī)具有同時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩和徑向懸浮力的功能。
[0004]現(xiàn)有高速電機(jī)主要有無軸承異步電機(jī)、無軸承永磁電機(jī)、無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)等。無軸承異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)較低。無軸承永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)高，但其為轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題及散熱不暢導(dǎo)致永磁體去磁的風(fēng)險(xiǎn)。無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但其需要主繞組提供偏置磁場(chǎng)以保證轉(zhuǎn)子的懸浮。這增加了電機(jī)的損耗，降低了其效率。且其只能在磁鏈曲線的上升段通入電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而下降段不通電。繞組的利用率較低，導(dǎo)致該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度均較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種聞速、大功率、聞效率、聞功率密度、運(yùn)行穩(wěn)定性高、可靠性高的定子永磁式無軸承電機(jī)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、主繞組和懸浮繞組，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，其特征在于，在定子軛部嵌有永磁體，主繞組繞在定子齒極上，其通入的電流產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)，懸浮繞組繞在位于定子鐵芯端部的懸浮繞組鐵心上，其通入的電流產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，懸浮線圈的數(shù)目與定子齒極數(shù)相等；對(duì)于三相中的每一相，永磁體產(chǎn)生的對(duì)稱磁通，起到磁軸承中的偏置磁通的作用；懸浮繞組分為軸線相互垂直的兩組，通過控制兩套懸浮繞組產(chǎn)生不同大小和方向的徑向懸浮力，兩者的合成則產(chǎn)生沿任意方向的可控徑向懸浮力，利用三相繞組的輪流導(dǎo)通和轉(zhuǎn)子位移的負(fù)反饋控制，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子懸浮所需的連續(xù)徑向懸浮力。
[0007]作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)，其特征在于，其轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生方式為:在永磁磁鏈的上升段給主繞組通入正向電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，在永磁磁鏈的下降段，給主繞組通入負(fù)向電流，也產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩；定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊壓而成，懸浮繞組鐵心由導(dǎo)磁鋼材制成。
[0008]本發(fā)明提出一種新型軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)，通過采用永磁體來建立氣隙基本磁場(chǎng)，可產(chǎn)生較高的氣隙磁密，這一氣隙磁通即可用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩又可提供懸浮力，避免了需要主繞組電流來建立氣隙偏置磁場(chǎng)，減小了主繞組電流，降低了電機(jī)的損耗，提高了電機(jī)的整體效率和功率密度，降低溫升，提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。其永磁體放置于定子鐵心的軛部，為定子永磁式電機(jī)，不存在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)永磁體甩落的問題，大大提高了電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，永磁體置于定子，便于永磁體的散熱，可避免高溫去磁問題。此外，定子每極繞組為單層結(jié)構(gòu)，相對(duì)于普通無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的雙層繞組結(jié)構(gòu)，提高了槽的利用率，繞組為集中式繞組，端部短，損耗小，進(jìn)一步提高了電機(jī)效率和功率密度，簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)加工的復(fù)雜性。其轉(zhuǎn)子為硅鋼片疊壓而成的一個(gè)整體，轉(zhuǎn)子上無繞組、無永磁體、無電刷，結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，非常適合高速和超高速旋轉(zhuǎn)，可提高電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1軸向徑向混合勵(lì)磁無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)基本結(jié)構(gòu)(a)為整體結(jié)構(gòu)圖，(b)為懸浮繞組示意圖。
[0010]圖2主繞組功率變換器。
[0011]圖3懸浮繞組H橋功率變換器。
[0012]圖4 (a)12 / 8結(jié)構(gòu)軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)徑向懸浮力產(chǎn)生原理圖徑向懸浮力產(chǎn)生原理圖(b)為懸浮磁通磁路示意圖。
[0013]圖5轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。
[0015]綜合雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)和磁軸承電機(jī)的優(yōu)良特性，本發(fā)明提出了軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)這一新型電機(jī)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括嵌于定子軛部的永磁體1，懸浮繞組鐵心2，轉(zhuǎn)子鐵心3，定子鐵心4，主繞組5，懸浮繞組6。其為軸向、徑向混合勵(lì)磁方式。主繞組繞在定子齒極上，其通入的電流產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)。懸浮繞組繞在構(gòu)成懸浮繞組磁路的鐵芯上，其通入的電流產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)。定子、轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊壓而成。定子、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)。懸浮繞組鐵心由導(dǎo)磁鋼材制成，為整體結(jié)構(gòu)。
[0016]運(yùn)行時(shí)，由永磁體I建立氣隙基本磁場(chǎng)，其磁路為徑向方向。氣隙磁場(chǎng)與主繞組5的電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。懸浮繞組6產(chǎn)生沿軸向的磁場(chǎng)與永磁體I產(chǎn)生的磁場(chǎng)在氣隙中合成，根據(jù)產(chǎn)生徑向懸浮力的要求，懸浮繞組6產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向可與永磁體I產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同或相反，使得不同轉(zhuǎn)子極下的氣隙磁密大小不等，進(jìn)而產(chǎn)生x、y方向的徑向懸浮力，支撐轉(zhuǎn)子的懸浮。
[0017]這樣由DSP控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)及轉(zhuǎn)矩和懸浮力要求，按一定算法輸出控制信號(hào)，通過功率變換器控制主繞組電流和懸浮繞組電流的大小和方向即可實(shí)現(xiàn)這一新型電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和懸浮。[0018]這一電機(jī)的運(yùn)行還需功率變換器的配合，主繞組的功率變換器為3相4橋臂結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)懸浮繞組每一相懸浮繞組電流的方向和大小均可獨(dú)立控制，采用了 6相獨(dú)立H橋結(jié)構(gòu)的功率變換器，如圖3所示。
[0019]這一電機(jī)的詳細(xì)工作原理如下所述。
[0020]軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)是利用麥克斯韋力(即徑向懸浮力)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。圖4是12 / 8結(jié)構(gòu)軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)徑向懸浮力產(chǎn)生原理圖，為清楚起見，圖中只畫出A相主繞組及其懸浮繞組的磁力線。無軸承永磁開關(guān)磁阻電機(jī)與普通開關(guān)磁阻電機(jī)一樣采用集中繞組，每相繞組由對(duì)稱均布的4個(gè)凸極上的繞組線圈串聯(lián)而成。而懸浮繞組由繞在懸浮鐵心上的相對(duì)的兩個(gè)線圈串聯(lián)組成，懸浮線圈的數(shù)目與電機(jī)的定子齒極數(shù)相等。在主繞組中通入的電流標(biāo)記為im，在懸浮繞組中通入的電流標(biāo)記為is。
[0021]在本電機(jī)中，永磁體和懸浮線圈磁路互不相同，懸浮線圈磁路如圖5中虛線所示。懸浮線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿純鐵在軸向流通。其從電機(jī)端部向中心是逐漸衰減的，為使懸浮線圈產(chǎn)生的磁通在電機(jī)轉(zhuǎn)子長度內(nèi)分布大致均勻，電機(jī)長度不宜過長，且電機(jī)兩側(cè)都安裝懸浮線圈。其主要通路為:懸浮線圈磁極N極(或S極，取決于電流方向)一懸浮線圈鐵心一定子硅鋼片一定子齒部一徑向氣隙一轉(zhuǎn)子齒部一轉(zhuǎn)子軛部一轉(zhuǎn)子齒部一徑向氣隙一定子齒部一定子硅鋼片一懸浮線圈鐵心一懸浮磁極S極O^N極)。這樣，懸浮磁場(chǎng)并不經(jīng)過磁阻很大的永磁體，因而懸浮磁場(chǎng)不會(huì)導(dǎo)致永磁體的退磁，且可以用較小的勵(lì)磁磁勢(shì)達(dá)到需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度。永磁體磁路與DSPM電機(jī)磁路相同，如圖4中粗實(shí)線所示。其主要通路為:永磁體N極一定子軛部一定子齒部一徑向氣隙一轉(zhuǎn)子齒部一轉(zhuǎn)子軛部一轉(zhuǎn)子齒部一徑向氣隙一定子齒部一定子軛部一永磁體S極。
[0022]從圖中可以看出，永磁體產(chǎn)生的是對(duì)稱四極磁通，這一磁通起到磁軸承中的偏置磁通的作用，它是徑向懸浮力產(chǎn)生的基礎(chǔ)。懸浮繞組α中電流isa產(chǎn)生的是對(duì)稱二極磁通，兩種磁場(chǎng)的相互調(diào)制使得轉(zhuǎn)子左右側(cè)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度不均勻，氣隙2處的磁感應(yīng)強(qiáng)度減少，而氣隙I處的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，其`結(jié)果使得作用在轉(zhuǎn)子上的麥克斯韋合力(即徑向懸浮力)指向a軸的正方向(即磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)的方向)。徑向懸浮繞組電流isa反向時(shí)，即可產(chǎn)生沿a軸負(fù)方向的徑向懸浮力；同理，兩極徑向懸浮繞組β (與徑向懸浮繞組a軸線垂直)中電流ise產(chǎn)生的對(duì)稱二極磁通和四極永磁體磁通的相互作用可以產(chǎn)生沿β軸方向的徑向懸浮力。通過控制兩套懸浮繞組產(chǎn)生不同大小和方向的徑向懸浮力Fra和Fre，兩者的合成則可產(chǎn)生沿任意方向的可控徑向懸浮力。該磁懸浮原理同樣可以推廣到B相和C相繞組，利用三相繞組每隔15°的輪流導(dǎo)通和轉(zhuǎn)子位移的負(fù)反饋控制，可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子懸浮所需的連續(xù)徑向懸浮力。
[0023]其轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原理與普通雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)相同。在永磁磁鏈的上升段給主繞組通入正向電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，在永磁磁鏈的下降段，給主繞組通入負(fù)向電流，也產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩。如圖5所示。
【權(quán)利要求】
1.一種軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、主繞組和懸浮繞組，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，其特征在于，在定子軛部嵌有永磁體，主繞組繞在定子齒極上，其通入的電流產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)，懸浮繞組繞在位于定子鐵芯端部的懸浮繞組鐵心上，其通入的電流產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，懸浮線圈的數(shù)目與定子齒極數(shù)相等；對(duì)于三相中的每一相，永磁體產(chǎn)生的對(duì)稱磁通，起到磁軸承中的偏置磁通的作用；懸浮繞組分為軸線相互垂直的兩組，通過控制兩套懸浮繞組產(chǎn)生不同大小和方向的徑向懸浮力，兩者的合成則產(chǎn)生沿任意方向的可控徑向懸浮力，利用三相繞組的輪流導(dǎo)通和轉(zhuǎn)子位移的負(fù)反饋控制，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子懸浮所需的連續(xù)徑向懸浮力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)，其特征在于，其轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生方式為:在永磁磁鏈的上升段給主繞組通入正向電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，在永磁磁鏈的下降段，給主繞組通入負(fù)向電流，也產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向徑向混合勵(lì)磁的無軸承雙凸極永磁開關(guān)磁阻電機(jī)，其特征在于，定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊壓而成，懸浮繞組鐵心由導(dǎo)磁鋼材制成。
【文檔編號(hào)】H02K1/17GK103715853SQ201410008230
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】修杰, 夏長亮, 修妍, 王世宇, 邢靜玥 申請(qǐng)人:天津大學(xué)